СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОЙ ЗАРЯДКИ БАТАРЕИ БПЛА С ФУНКЦИЯМИ БАЛАНСИРОВКИ НАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ:

В. В. Бурлака; С. В. Гулаков; А.Ю. Головин; Д. С. Мироненко

В. В. Бурлака ФГБОУ ВО "ПГТУ"
С. В. Гулаков ФГБОУ ВО "ПГТУ"
А.Ю. Головин ФГБОУ ВО "ПГТУ"
Д. С. Мироненко Южный федеральный университет

Ключевые слова: Беспроводная зарядка, воздушный трансформатор, балансировка батареи, синхронный выпрямитель, резонансный трансформатор

Аннотация

Рассмотрен вопрос создания системы беспроводной зарядки бортовой батареи беспилотно-
го летательного аппарата (БПЛА) с учетом необходимости балансировки напряжений ее эле-
ментов. При проектировании системы на основании краткого обзора принципов реализации бес-
проводной передачи энергии за основу взят принцип использования магнитно-связанных контуров
как наиболее подходящий по своим технико-экономическим свойствам. Целью работы является
разработка схемного решения системы беспроводной зарядки батареи БПЛА с возможностью
балансировки напряжений как при зарядке, так и во время работы на нагрузку. Применение такой
системы позволит повысить безопасность эксплуатации батареи и продлить срок ее службы за
счет выравнивания степени износа (старения) элементов. В результате исследования разработа-
на схема и изготовлен экспериментальный образец указанной системы беспроводной зарядки.
При синтезе схемы ставилась задача минимизации количества компонентов в силовых цепях с
целью уменьшения массы системы и ее стоимости. Максимальная мощность экспериментальной
системы беспроводной зарядки превышает 100 Вт (25 В 4 А) и для примененной бортовой аккуму-
ляторной батареи емкостью 1500 мАч является несколько избыточной. Принудительного охла-
ждения приемной части не требуется. Масса приемной части, устанавливаемой на беспилотный
летательный аппарат, составляет 79 г (40 г – приемная катушка и 39 г – блок электроники) и
имеет резервы для уменьшения за счет снижения сечения проводников приемной катушки, приме-
нения в блоке электроники текстолита с меньшей толщиной, уплотнения монтажа и применения
двустороннего расположения компонентов. Проведены лабораторные испытания, подтвердив-
шие работоспособность предложенных технических решений, выполнена оценка эффективности
балансировки при зарядке. Для оценки эффективности системы балансировки в ходе эксперимен-
тов осуществлен расчет выходного сопротивления приемника (U/I) относительно одного из
элементов бортовой аккумуляторной батареи при изменении напряжения на нем. Результат со-
ставил 1,9 Ом при токе заряда 0,8 А (батарея 6S 1500 мА·ч).

Литература

1. Chen R., Lee, and Y., Sun J. Design and experiment of a loop rectenna for rfid wireless power transmission
and data communication applications, Proceedings of the PIERS, Beijing, China, 2009,
Vol. 2327, pp. 528531.
2. Costanzo A. and Masotti D. Energizing 5g: Near-and far-field wireless energy and data trantransfer as
an enabling technology for the 5g iot, IEEE Microwave Magazine, 2017, Vol. 18, No. 3, pp. 125-136.
3. Garnica J., Chinga R.A., and Lin J. Wireless power transmission: From far field to near field, Proceedings
of the IEEE, 2013, Vol. 101, No. 6, pp. 1321-1331.
4. Li K.-R., See K.-Y., Koh W.-J., and Zhang J.-W. ‘Design of 2.45 GHz microwave wireless power transfer
system for battery charging applications, in Proc. Prog. Electromagn. Res. Symp.-Fall (PIERSFALL),
Nov. 2017, pp. 2417-2423.
5. Ouyang J., Che Y., Xu J., and Wu K. Throughput maximization for laser-powered uav wireless communication
systems, in 2018 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC
Workshops). IEEE, 2018, pp. 1-6.
6. Iyer V., Bayati E., Nandakumar R., Majumdar A., and Gollakota S. ‘Charging a smartphone across a
room using lasers, Proc. ACM Interact., Mobile, Wearable Ubiquitous Technol, Jan. 2018, Vol. 1,
No. 4, pp. 1-21.
7. Huang L., Hu A.P., Swain A., Kim S., and Ren Y. An overview of capacitively coupled power transfer
– a new contactless power transfer solution, in 2013 IEEE 8th Conference on Industrial Electronics
and Applications (ICIEA). IEEE, 2013, pp. 461-465.
8. Raciti A., Rizzo S.A., and Susinni G. Drone charging stations over the buildings based on a wireless
power transfer system, in 2018 IEEE/IAS 54th Industrial and Commercial Power Systems Technical
Conference (I&CPS). IEEE, 2018, pp. 1-6.
9. Aldhaher S., Mitcheson P.D., Arteaga J.M., Kkelis G., and Yates D.C. Light-weight wireless power
transfer for mid-air charging of drones, in 2017 11th European Conference on Antennas and Propagation
(EUCAP). IEEE, 2017, pp. 336-340.
10. Vincent D., Huynh P.S., Patnaik L., and Williamson S.S. Prospects of capacitive wireless power transfer
(c-wpt) for unmanned aerial vehicles, in 2018 IEEE PELS Workshop on Emerging Technologies:
Wireless Power Transfer (Wow). IEEE, 2018, pp. 1-5.
11. Koruprolu A., Nag S., Erfani R., and Mohseni P. Capacitive wireless power and data transfer for implantable
medical devices, in 2018 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS).
IEEE, 2018, pp. 1-4.
12. Yao Y., Wang Y., Liu X., Cheng H., Liu M., and Xu D. Analysis, design, and implementation of a wireless
power and data transmission system using capacitive coupling and double-sided lcc compensation
topology, IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, Vol. 55, No. 1, pp. 541-551.
13. Li Y. and Stevens C.J. ‘Capacitor connected grids for wireless power transfer, in Proc. IEEE Wireless
Power Transf. Conf., May 2014, pp. 122-125.
14. Minnaert B., Mastri F., Mongiardo M., Costanzo A., and Stevens N. Constant capacitive wireless power
transfer at variable coupling, in IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., May 2018, pp. 1-4.
15. Ustun D., Balci S., and Sabanci K. A parametric simulation of the wireless power transfer with inductive
coupling for electric vehicles, and modelling with artificial bee colony algorithm, Measurement,
Jan. 2020, Vol. 150, Art. no. 107082.
16. Shi Y., Zhang Y., Shen M., Fan Y., Wang C., and Wang M. Design of a novel receiving structure for
wireless power transfer with the enhancement of magnetic coupling, AEU-Int. J. Electron. Commun,
Oct. 2018, Vol. 95, pp. 236-241.
17. Dai J. and Ludois D.C. Wireless electric vehicle charging via capacitive power transfer through a conformal
bumper, in Proc. IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo. (APEC), Mar. 2015, pp. 3307-3313.
18. Lu F., Zhang H., and Mi C. A review on the recent development of capacitive wireless power transfer
technology, Energies, Nov. 2017, Vol. 10, No. 11, pp. 1752.
19. Deittert M., Richards A., Toomer C.A., and Pipe A. Engineless unmanned aerial vehicle propulsion by
dynamic soaring, J. Guid., Control, Dyn., Sep. 2009, Vol. 32, No. 5, pp. 1446-1457.
20. Richardson P.L. Upwind dynamic soaring of albatrosses and UAVs, Prog. Oceanogr., Jan. 2015,
Vol. 130, pp. 146-156.
21. Malaver A., Motta N., Corke P., and Gonzalez F. Development and integration of a solar powered
unmanned aerial vehicle and a wireless sensor network to monitor greenhouse gases, Sensors, Feb.
2015, Vol. 15, No. 2, pp. 4072-4096.
22. Galkin B., Kibilda J., and DaSilva L.A. UAVs as mobile infrastructure: Addressing battery lifetime,
IEEE Commun. Mag., Jun. 2019, Vol. 57, No. 6, pp. 132-137.
23. Burlaka V.V., Gulakov S.V., Golovin A.Yu., Mironenko D.S. Sistema besprovodnoy peredachi
elektricheskoy energii [Wireless electric power transmission system], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie
nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2023, No. 5 (235), pp. 174-182.
24. Moghaddam Farzan A. and Van den Bossche A. A single transformer for active cell equalization
method of lithium-ion batteries with two times fewer secondaries than cells, Electronics, 2019, Vol. 8,
No. 9, Art. no. 951.